研究目的
比较沉积在(110)单晶金刚石和Si(100)基底上的纳米晶金刚石膜的生长动力学和摩擦学性能,并理解基底对这些性能的影响。
研究成果
在SC(110)金刚石和Si(100)衬底上生长的NCD薄膜具有相似的化学成分和晶体结构,但生长动力学和摩擦学性能存在差异。SC(110)衬底上的生长过程不稳定且呈现异常标度行为,受遮蔽效应和扩散不稳定性影响。摩擦学方面,两者表现出相近的摩擦系数(约0.14),但NCD/SC(110)的磨损体积更低,表明衬底和界面特性会影响材料行为,而NCD/Si(100)体系中可能存在偏转现象。
研究不足
观察到不稳定的生长速率,变化范围在0.07至0.18微米/分钟之间。由于数据离散性,难以估算生长指数β。异常的标度关系(高粗糙度指数αs=1.5-1.6)表明存在阴影效应和扩散不稳定性等非局域效应,这可能限制对薄膜性能的控制。摩擦学测试是在特定湿度(约35%)的空气中进行的,可能无法代表所有环境条件。本研究针对特定基底材料,可能不适用于其他材料体系。
1:实验设计与方法选择:
采用微波等离子体增强化学气相沉积法(MPCVD),在甲烷/氢气/氮气混合等离子体中生长非晶碳膜。摩擦学测试在往复滑动条件下进行,通过改变载荷和循环次数开展实验。采用标度分析研究生长动力学。
2:样品选择与数据来源:
使用HPHT(110)单晶金刚石衬底(欧洲超硬材料公司提供的3×4×1.5毫米板材)和硅(100)衬底。制备了厚度为2.2、8、10.5和22.5微米的薄膜,对应生长时间分别为32、54、73和130分钟。
3:5毫米板材)和硅(100)衬底。制备了厚度为5和5微米的薄膜,对应生长时间分别为73和130分钟。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:MPCVD系统(功率2.5千瓦,压力80托,温度1050-1100摄氏度)、CETR UMT-2摩擦磨损试验机、氮化硅球(REDHILL公司)、原子力显微镜(布鲁克MultiMode 8)、扫描电镜(蔡司EVO MA-15和蔡司Merlin)、触针式轮廓仪(马尔Perthometer)、显微拉曼光谱仪(雷尼绍inVia)、X射线衍射仪(理学Ultima IV)。
4:5千瓦,压力80托,温度1050-1100摄氏度)、CETR UMT-2摩擦磨损试验机、氮化硅球(REDHILL公司)、原子力显微镜(布鲁克MultiMode 8)、扫描电镜(蔡司EVO MA-15和蔡司Merlin)、触针式轮廓仪(马尔Perthometer)、显微拉曼光谱仪(雷尼绍inVia)、X射线衍射仪(理学Ultima IV)。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:沉积薄膜后通过机械断裂法测量厚度。摩擦学测试参数:法向载荷0.5和2牛顿,位移振幅1毫米,频率5赫兹,循环次数最高达72,000次。采用原子力显微镜和扫描电镜分析表面形貌,轮廓仪测量磨痕,拉曼光谱和X射线衍射分析结构。
5:5和2牛顿,位移振幅1毫米,频率5赫兹,循环次数最高达72,000次。采用原子力显微镜和扫描电镜分析表面形貌,轮廓仪测量磨痕,拉曼光谱和X射线衍射分析结构。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:从功率谱密度(PSD)函数计算标度指数。采用Erdemir等人的方法计算赫兹接触压力。对磨损体积和摩擦系数进行统计分析。
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Atomic Force Microscope
MultiMode 8
Bruker
Used for surface morphology analysis in non-contact mode.
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Scanning Electron Microscope
EVO MA-15
Zeiss
Used for imaging surface morphology in secondary electron mode.
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High-Resolution Scanning Electron Microscope
Merlin
Zeiss
Used for high-resolution topographic and compositional imaging.
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X-ray Diffractometer
Ultima IV
Rigaku
Used for XRD patterns to study crystal structure.
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Microwave Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition system
Not specified
Not specified
Used for growing nanocrystalline diamond films on substrates.
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Tribometer
UMT-2
CETR
Used for reciprocating sliding tests to evaluate tribological properties.
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Profilometer
Perthometer
Mahr
Used for measuring wear scars depth profiles.
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Micro-Raman Setup
inVia
Renishaw
Used for Raman spectroscopy to analyze chemical composition.
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Si3N4 Ball
Not specified
REDHILL
Used as counter body in tribological tests.
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Diamond Substrate
HPHT (110) single crystal
Euro Superabrasives Limited
Used as substrate for film deposition.
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